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中國(guó)科(kē)學院院士郝躍：第三代半導體(tǐ)的(de)若幹新進展φγ

景築科(kē)技(jì)

2023/12/05

第三代半導體(tǐ)具有(yǒu)優越的(de)功率特性、高(gā✔≤δo)頻(pín)特性、高(gāo)能(néng)效和(hé) σ低(dī)損耗等特性，目前已經成為(wèi)全球大(dà)國(guó↓α)博弈的(de)焦點。

      ¥'☆      &nbα≠sp;          ↔♣';          >★>       ♠≠;      '☆<&      γ ;           &→&☆≈nbsp;     &n&&¶'bsp;        ₽​;         &nbs←↔p;         ←Ω♠♣      &m↕≠dash;—中國(guó)科(kē)學院院士、國(guó)家♠β(jiā)自(zì)然科(kē)學基金(jīn♣<♦∞)委員(yuán)會(huì)信息科(kē)學部主任郝躍

“敢”字為(wèi)先，謀封測産業(y♠€è)新發展。第21屆中國(guó)半導體(☆≤εtǐ)封裝測試技(jì)術(shù)與市(shì)↑"↓®場(chǎng)年(nián)會(huì)于10月('♣€✘yuè)26日(rì)在江蘇昆山(shān)盛大(•>§dà)開(kāi)幕。中國(guó)科(kē)學院院士、國(guó)家(j∞‌iā)自(zì)然科(kē)學基金(jīn)委員(yuán)會(h"δuì)信息科(kē)學部主任郝躍以《第三代半導體(tǐ)的(de)若幹新進展》↓≥✘為(wèi)題作(zuò)主旨報(bào)告。報(bào)告指↕☆出，第三代半導體(tǐ)具有(yǒu)優越的(≠✔de)功率特性、高(gāo)頻(pín)特≤•性、高(gāo)能(néng)效和(hé)低(dī)損耗等特性，目前已經成為( <wèi)全球大(dà)國(guó)博弈的(de)焦ε‍★≈點。當前，第三代半導體(tǐ)技(jì)術(shù)發展面臨諸多(duō)挑÷→∏∑戰，如(rú)高(gāo)可(kě)靠性，要(yào∞↕ )通(tōng)過半導體(tǐ)器(qì)件(© ₹jiàn)與材料的(de)産教融合創新研發使其大(d∑‍à)有(yǒu)作(zuò)為(wèi)。在細分(fēn)領域形成中國(>®α guó)真正的(de)産業(yè)鏈，從(cóng)而推動科(kē)技(jαΩ✘ ì)和(hé)産業(yè)的(de)發展。

半導體(tǐ)芯片長(cháng)期處于大γ×(dà)國(guó)科(kē)技(jì)和(hé)産業(yè)☆∑₩博弈的(de)最前沿，是(shì)作(zuò)為(wèi)♠ε↓™微(wēi)電(diàn)子(zǐ)器(qì)件(jiàn)領域的(de₹→β↑)重要(yào)分(fēn)支，對(duì)物(wù)聯網、信息産業☆¥☆₹(yè)、武器(qì)裝備、生(shēng)物(wù)醫(yī)療、♥απ智能(néng)産業(yè)的(de)發展具有(yǒu)重要(yào)意義。進‌δ入本世紀以來(lái)，半導體(tǐ)領域科(kē)技(jλβ↑βì)和(hé)應用(yòng)具有(yǒu)兩大(dà) ¶☆主要(yào)成就(jiù)，一(yī)是(shì)14nm以✘λ÷‍後的(de)FinFET技(jì)術(shù)，推動了(le₹₹σ)集成電(diàn)路(lù)的(de)不(> ♥bù)斷發展；二是(shì)以氮化(huà)镓、碳化(h&♣∑£uà)矽、氧化(huà)镓為(wèi)代表的(de)第♥←✘三代（寬禁帶）半導體(tǐ)器(qì)件(‌÷↕•jiàn)技(jì)術(shù)，有(yǒu)進一(yī)步發展超越的(de)♥↕• 趨勢。

第三代半導體(tǐ)是(shì)指禁帶寬度Eg>2e☆₹↓σV的(de)半導體(tǐ)材料， Eg>±δ♥α;4eV 的(de)材料為(wèi)超寬禁帶半導£ 體(tǐ)。半導體(tǐ)器(qì)件(jiàn)的(π✔₹de)發展影(yǐng)響著(zhe)國(guó)家(ji'☆™ā)安全、能(néng)源能(néng)耗及社會(huì)發展。近(jìn)  ‍年(nián)來(lái)，以碳化(huà)矽(≠≈αSiC)、氮化(huà)镓(GaN)為(wèi)代表的(β¶× de)第三代半導體(tǐ)及超寬禁帶半導體(tǐ)材料具有(yǒ€δu)耐高(gāo)壓、低(dī)功耗的(de)顯著優勢，已→↑→¶經成為(wèi)了(le)中國(guó)功率半導體(t§&₽ǐ)行(xíng)業(yè)研發和(hé)産業(yè)化(huà)的(d≤✘≈e)重點。

一(yī)、第三代半導體(tǐ)的(de)優勢特β¶β性

從(cóng)産業(yè)與科(kē)技(jì)的(de)預期來(₹σ↓₽lái)講，第三代半導體(tǐ)具有(yǒu)‍γ•↓高(gāo)功率特性、高(gāo)效率和(hé)低(dī)損耗特性、高(gāo∏←)頻(pín)率特性。

第一(yī)，優越的(de)高(gāo)功率特性。

第三代（寬禁帶）半導體(tǐ)在高(gāo)溫≈‍←高(gāo)壓、高(gāo)功率、高(gāo)電(diàn)​♣流密度和(hé)低(dī)導通(tōng)電(diàn)阻方面，具有α←←(yǒu)明(míng)顯優勢。以往，由于所需驅動功率小(xiǎo)、♣✘開(kāi)關速度快(kuài)，矽基的(de)β♠♥MOSFET在600V以下(xià)的(de)®‍應用(yòng)中占據主流，由于導通(tōng)損耗低(dī)、開(kāi÷✘←¥)關速度較快(kuài)、耐壓等級高(gāo)、工(gōng)作(zuò)₹ ₹§結溫高(gāo)、驅動方便，矽基的(de)IGBT占據了(le)600V₹×±~6500V高(gāo)壓應用(yòng)市(shì)™∑✘場(chǎng)。而碳化(huà)矽這(zhè)類寬禁帶半導體(t↕₹ǐ)相(xiàng)比矽基IGBT更有(yǒu)性能(néng)突破的 £(de)可(kě)能(néng)。

碳化(huà)矽适合中高(gāo)壓，650​$¥伏以上(shàng)的(de)電(diàn)壓等級。主要(φ¥δ↑yào)應用(yòng)場(chǎng)景是(shì)∏δ新能(néng)源汽車(chē)、光(guāng)伏逆¥≠≥σ變器(qì)以及工(gōng)業(yè)的(de)一(yī)些α♥ ₩(xiē)應用(yòng)領域。氮化(huà)镓∑β适合中低(dī)壓，650伏以下(xià)，主要(yào)應用(yò✘ ng)場(chǎng)景是(shì)快(kuài)充，手機(jī)$>♣快(kuài)充消費(fèi)電(diàn)子(zǐ)快(ku ₹☆ài)充等。随著(zhe)新能(néng)源汽車(chē)、≠☆♥電(diàn)動汽車(chē)的(de)普εφ≠∑及，汽車(chē)行(xíng)業(yè)也(yě)加入了(¥®©le)如(rú)今的(de)芯片競争。與傳統的(de)汽車(chλ>♠ē)制(zhì)造業(yè)不(bù)同，電(diàn€©)動汽車(chē)的(de)發展極大(dà)程度上(shàng)依賴于半‌≤♣導體(tǐ)器(qì)件(jiàn)的(de)發展。←λ×因此，第三代半導體(tǐ)的(de)市(shì)場(chǎng)‍ ≠★份額也(yě)在逐步增加。

第二，優越的(de)高(gāo)效率和(hé)↔§<低(dī)損耗特性。

導通(tōng)電(diàn)阻是(shì)矽器(qì)件(jiàn)的(d♠★±€e)近(jìn)1/1000（在相(xiàng)同的(de)電(diàn)壓/±§電(diàn)流等級下(xià)），可(kě)以大(dà)大(dà)降低↕≈(dī)器(qì)件(jiàn)的(de)導通(• ✘εtōng)損耗。寬禁帶半導體(tǐ)能(néng)提供低(dī)阻抗，以降低•£₹(dī)導通(tōng)損耗，實現(xiàn)能(n♦•éng)效的(de)提升。

第三，優越的(de)高(gāo)頻(pín)特性。

GaN電(diàn)子(zǐ)器(qì)件(jiàn)是(shì)在襯底材料±£↓&上(shàng)外(wài)延生(shēng)長(ch‍λ​•áng)勢壘層/溝道(dào)層材料。該結構可(kě)以實現(xiàn'π₽)高(gāo)密度和(hé)高(gāo)遷移率(速度)的(de)2 ×DEG，這(zhè)是(shì)實現(xiàn)微"±(wēi)波和(hé)大(dà)功率半導體(tǐ)器(qì)件(j≥™ iàn)的(de)關鍵。

高(gāo)頻(pín)高(gāo)壓是≠✘£(shì)第三代半導體(tǐ)材料器(qì)件(∏✔jiàn)的(de)最大(dà)特性，最早被應用(yòng)的(de)→♥第三代半導體(tǐ)材料器(qì)件(jiàn)包括碳化(huà₽♠)矽（SiC）、高(gāo)頻(pín)和(hé)短β‌✘(duǎn)波器(qì)件(jiàn)，目前應用(yòng)市↕≥(shì)場(chǎng)已成熟，同時(shí)碳化(♥×✔εhuà)矽（SiC）器(qì)件(jiàn​≤‍∞)也(yě)适用(yòng)于極端的(de)工(gōng)作(zuò​®₽)環境。42GHz 碳化(huà)矽 ↑‍;CMESFET 在軍用(yòng)雷達和(h‍↑é)通(tōng)信領域的(de)應用(yòng≈β™)成為(wèi)各國(guó)角逐的(de σ)領域。

第四，氧化(huà)镓半導體(tǐ)新器(qì)₽☆∑件(jiàn)（超寬禁帶半導體(tǐ)）

寬禁帶半導體(tǐ)材料已經能(néng)較好π§₹(hǎo)支撐高(gāo)效能(néng)半導體(tǐ)器(qו÷®ì)件(jiàn)的(de)發展。近(jìn​♠)幾年(nián)來(lái)，學術(shù)界正在發展超寬禁帶半導體(σ↑§∑tǐ)氧化(huà)镓，Ga2O3具有(y₽&ǒu)4.8 eV的(de)禁帶寬度。超寬禁帶半導體(↔"≈♦tǐ)在理(lǐ)論上(shàng)具備更高(gāo)的(d"'>e)擊穿電(diàn)壓、更大(dà)的(de)功 ↑率密度，為(wèi)高(gāo)功率、高(gāo)壓器(qì)件(≥↓jiàn)的(de)發展提供了(le)新的(de)思路(lù)。

與當前産業(yè)界火(huǒ)熱(rè)的(∑♠de)第三代半導體(tǐ)GaN和(hé)SiC相(x←‍₽♦iàng)比，Ga2O3功率器(qì)件(j₹™iàn)在相(xiàng)同耐壓情況下(​₩↕≠xià)具有(yǒu)更低(dī)的(de)導通(tōng)電♦•★(diàn)阻，應用(yòng)于電(diàn)能(néng∏&×)轉換領域将實現(xiàn)更低(dī)的(de)功耗和(h≠±σé)更高(gāo)的(de)轉換效率。因此，近(γ↔jìn)年(nián)來(lái)，氧化(huà)镓半導體(t ™'ǐ)已成為(wèi)半導體(tǐ)國(guó)際研究熱(rè)點和(hé)大(★& ★dà)國(guó)技(jì)術(shù)競争制(zhì)Ω¶₩高(gāo)點。

2018年(nián)以來(lái)，在郝躍>φ¥院士領導下(xià)，西(xī)安電(d♥÷iàn)子(zǐ)科(kē)技(jì)大(dà)學通(tōng♣‌σ₩)過自(zì)主氧化(huà)镓生(shēng)長(chán©©€₽g)MOCVD設備、高(gāo)質量氧化(huà)镓外(wài)延材料、高(®↑gāo)壓器(qì)件(jiàn)新結構與新工(gōng)藝等®>✘一(yī)系列技(jì)術(shù)創新，實現(xiàn)了(le< )氧化(huà)镓功率二極管和(hé)功率↕σ £晶體(tǐ)管性能(néng)的(de)高(gāo)速提升，取得(de)了(l→₹e)多(duō)項裡(lǐ)程碑成果，使α₹≤✔我國(guó)氧化(huà)镓功率器(qì)件(jiàn)研究水(shuǐ)"'  平進入國(guó)際前列。

二、超寬禁帶半導體(tǐ)成為(wèi)博弈焦點

近(jìn)年(nián)來(lái)，碳基電(diàn)子(zǐ)材¶♠∑料與器(qì)件(jiàn)是(shì)國(guó)際半導體(tǐ)領域研☆©γ究熱(rè)點。其中，以金(jīn)剛石為(wèi)代表的★φβ¥(de)超寬禁帶半導體(tǐ)，在探測器(qì)、φ'電(diàn)子(zǐ)器(qì)件(jiàn)及光(guāng)♦∏¶♦導開(kāi)關等方面有(yǒu)著(zhe)廣闊的(de)應用(yòng)♣♦前景。

8月(yuè)12日(rì)，美(měi)國(guó)商務部發布臨時(→×γσshí)最終規定，對(duì)涉及GAAFET（≈∏全栅場(chǎng)效應晶體(tǐ)管）↓"<結構集成電(diàn)路(lù)所必須的(de)ECAD軟件(jiàn)；金(¥γ♠✘jīn)剛石和(hé)氧化(huà)镓為(wèi)代≤☆↑∑表的(de)産款禁帶半導體(tǐ)材料；燃氣渦輪發動機(jī)使用(y♥•♥òng)的(de)壓力增益燃燒（PGC）等四↓©‌₩項技(jì)術(shù)實施新的(de)出口管制(zhì)。超寬禁帶半導體(t>​¥ǐ)成為(wèi)博弈焦點。

三、第三代半導體(tǐ)發展面臨的(de)挑戰

5G時(shí)代正在加快(kuài)發展，半導體(™♦&tǐ)器(qì)件(jiàn)在航空(kōng)航天、雷達探測、通(tōng"♦)信等行(xíng)業(yè)廣泛應用(yòng)，新能(©≥© néng)源電(diàn)動汽車(chē)、大(dà)數≤₽"(shù)據中心越來(lái)越普及。寬禁帶半導體(tǐ)₩♠α≥的(de)發展為(wèi)未來(lái)半導體(tǐ★→)器(qì)件(jiàn)的(de)發展帶來(lái)了(le)更多(duō)Ω↔‌的(de)可(kě)能(néng)性，但←♣​(dàn)也(yě)存在著(zhe)許多(duō)問(wèn)題需要Ω¶(yào)解決。

在氮化(huà)镓領域存在以下(xià)挑戰：★​∏π頻(pín)率是(shì)否還(hái)能(néng)做(zuò)的(d→εe)更高(gāo)；高(gāo)線性和(hé)低(dī)工( ‌gōng)作(zuò)電(diàn)壓的(de)問(wèn&§£)題；氮化(huà)镓的(de)材料能(néng)不(bù) ✔λ能(néng)進一(yī)步在6寸、8寸矽襯底甚Ω∑¶$至12寸上(shàng)做(zuò)得(de)更好(hǎ δ≈↔o)；高(gāo)壓（1萬伏）的(de)電(diàn)力€σ™‌電(diàn)子(zǐ)器(qì)件(jiàn)ε☆×$是(shì)否能(néng)做(zuò)得(de)更高(gγ★≈↑āo)；高(gāo)可(kě)靠器(qì)件(jiàn)問(wè♦®"λn)題。

在碳化(huà)矽領域，第一(yī)個(gè)挑戰‌$∏✔是(shì)能(néng)否實現(xiàn)大(dà)尺π™>σ寸、低(dī)缺陷的(de)完美(měi)襯底材料；在超高( &♥gāo)壓、超大(dà)功率和(hé)低¥∞(dī)損耗器(qì)件(jiàn)方面，∑≥×是(shì)否還(hái)能(néng)做(zuò)得(de)更∞↕高(gāo)；高(gāo)可(kě)靠器(qì)件(≥Ω✔£jiàn)問(wèn)題。

此外(wài)，寬禁帶、其他(tā)化(huà)合物(wù)與><矽異質異構集成電(diàn)路(lù)，能(néng)否同時∑α©♣(shí)實現(xiàn)氮化(huà)镓和(h♠&©é)矽CMOS？在寬禁帶半導體(tǐ)器(qì)件(jiàn)與電(d₩•×iàn)路(lù)設計(jì)方法學方面，由于矽和(hé)砷化(hu§‍€ à)镓不(bù)一(yī)樣，設計(jì)上§‍↕≤(shàng)、封裝上(shàng)如(rú)何實現(xiàn)揚長(ch₩φáng)避短(duǎn)、組合優化(huà)也(>₩yě)頗受業(yè)內(nèi)關注。

 

來(lái)源：第三代半導體(tǐ)産業(yè)技(jì£α→)術(shù)戰略聯盟

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